Chơng 5
viễn thám hồng ngoại nhiệt
Phơng pháp viễn thám hồng ngoại nhiệt l phơng pháp ghi nhận các bức xạ
nhiệt ở dải sóng hồng ngoại nhiệt ( từ 3 đến 14 Pm). Vì bức xạ nhiệt có cờng độ
yếu, lại bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, nên để thu các tín hiệu nhiệt phải có thiết bị
quét nhiệt với độ nhạy cao. Dới đây l một số cơ sở vật lý v các nguyên tắc tạo
ảnh hồng ngoại.
5.1. Nguyên lý bức xạ nhiệt của vật chất
Tính chất bức xạ nhiệt của các đối tọng tự nhiên dựa vo nguyên tắc bức xạ
của vật đen tuyệt đối.
5.1.1. Nhiệt độ Kinetic v sự bức xạ
Nhiệt độ của vật chất đo đợc khi tiếp xúc hoặc đặt chìm vo bên trong vật
chất đợc quan niệm l nhiệt độ bên trong của vật chất gọi l nhiệt độ Kinetic. Nhiệt
độ Kinetic l nhiệt độ bên trong của vật chất, thể hiện sự trao đổi năng lợng của các
phân tử cấu tạo nên vật chất. Sự bức xạ năng lợng của vật chất l một hm số của
nhiệt độ Kinetic của chúng. Khi bức xạ, vật chất có một nhiệt độ khác gọi l nhiệt
độ bên ngoi của vật chất. Viễn thám ghi nhận thông tin về nhiệt độ bên ngoi của
vật chất, cũng có nghĩa l ghi nhận thông tin về sự bức xạ của vật chất.
5.1.2. Sự bức xạ của vật đen tuyệt đối
Nh phần đầu đã mô tả, khi nhiệt độ của một vật lớn hơn nhiệt độ 0
o
K
(-273
0
C) thì nó sẽ phát ra một bức xạ nhiệt. Cờng độ bức xạ v tính chất phổ của
bức xạ l một hm của thnh phần vật chất tại thời điểm đó. Hình 5.1 minh hoạ cho
sự phân bố phổ của năng lợng bức xạ từ bề mặt của vật đen tuyệt đối tại các nhiệt
độ khác nhau. Các đờng cong phân bố năng lợng có hình dạng giống nhau nhng
các tia của chúng có xu hớng chuyển dịch về phía có bớc sóng ngắn hơn khi nhiệt
độ tăng cao (quy luật chuyển dịch cực trị năng lợng bức xạ của Wiens).
Phân bổ phổ của năng lợng bức xạ của vật đen tại các nhiệt độ khác nhau:

-4
;

T - nhiệt độ của vật đen ( độ K )
d - diện tích phát xạ của vật đen
Hình 5.1: Đặc điểm phát xạ nhiệt của vật chất
Theo phơng trình, tổng lợng nhiệt phát ra từ bề mặt vật đen thì khác nhau
theo tỷ lệ với lũy thừa 4 của nhiệt độ tuyệt đối. Viễn thám đo đợc năng lợng phát
ra của vật, do đó đo đợc nhiệt độ của vật. Viễn thám đo các bức xạ M theo các dải
bớc sóng khác nhau, tuy nhiên sự bức xạ nhiệt chỉ bắt đầu từ dải hồng ngoại nhiệt.
5.1.3. Sự phát xạ nhiệt từ các vật chất thực
Với vật đen tuyệt đối, nó phát xạ ton bộ năng lợng rơi vo nó khi lm cho
nhiệt độ của nó tăng lên, còn vật chất thực chỉ phát ra một phần năng lợng rơi vo
nó. Khả năng phát xạ nhiệt gọi l độ phát xạ nhiệt (H).
H = Năng lợng nhiệt phát ra của vật tại một nhiệt độ no đó/ Năng lợng phát
ra của vật đen tại cùng nhiệt độ đó.
H có giá trị từ 0 - 1: giá trị H khác nhau tuỳ thuộc vo thnh phần vật chất, ở các
nhiệt độ khác nhau thì sự phát xạ cũng khác nhau. Ngoi ra, sự phát xạ còn khác
nhau ở dải sóng v góc phát xạ.
72
Một vật gọi l vật xám thì có độ phát xạ nhỏ hơn 1 nhng sự phát xạ l đều ở
một bớc sóng tơng tự nh của vật đen tuyệt đối. Một vật có sự phát xạ khác nhau
ở các dải sóng khác nhau thì gọi l vật phát xạ lựa chọn. Rất nhiều vật chất có sự
phát xạ giống nh vật đen, ví dụ: nớc 0,98 - 0,99 v phát xạ ở dải sóng 6 - 14Pm.
Nhiều vật chất khác lại có sự phát xạ lựa chọn, Ví dụ: thạch anh có sự phát xạ rất
khác biệt giữa các phần trong dải phổ từ 6 - 14Pm.
Dải sóng từ 8 -14Pm có đặc điểm l ngoi việc thể hiện sự phát xạ của khí
quyển còn thể hiên sự phát xạ của các đối tợng ở trên bề mặt trái đất với nhiệt độ
trung bình khoảng 300
0

0,92 - 0,94
0,85 - 0,90
0,77 - 0,81
0,63 - 0,70
0,16 - 0,21
x Các thông số về tính chất nhiệt của đối tợng: bao gồm: tính dẫn nhiệt
(conductivity), nhiệt dung (capacity) v quán tính nhiệt (inertia).
73
Hình 5.2: Mô hình nhiệt của các vật chất có sự khác biệt lớn
về nhiệt độ của vật giữa ngy v đêm
Mô hình nhiệt của các vật chất l thể hiện quán tính-hay sự biến đổi nhiệt của
vật chất trong 1 ngy đêm:
F = [I
o
(1 - A) COS Z ] - [ G T
kim
4
] ban ngy
= - G T
kim
4
ban đêm
trong đó:
F - Chùm tia bức xạ mặt trời
I
0
- Hằng số mặt trời, l số đo bức xạ từ mặt trời
A - Anbedo của bề mặt
Z - Góc nghiêng của mặt trời
G - Hằng số Stefan - Bolstman (5,67. 10

Thực vật
Nhiệt
độ
bức
xạ
Nớc lặn
g
són
g
Đá v đất
Mặt trời lặn
Mặt trời mọc
Đầm lầ
y
Ban ng
y
B
an đêm
B
an
đ
êm
0 4 8 12 16 20 24
74
có mu sáng đến trắng, vùng lạnh sẽ có mu đen, xám. Mức độ xám sẽ thể hiện
thang nhiệt độ của ảnh của khu vực.
-Vo ban đêm các đối tợng có sức chứa nhiệt cao v quán tính nhiệt cao thì
thờng có nhiệt độ cao hơn các đối tợng khác v ảnh của chúng thờng sáng hơn.
Các đối tợng có nhiệt độ cao do các nguồn cung cấp khác cũng có tone ảnh
sáng hơn.

chính các vật chất đó rồi bổ sung vo các tín hiệu khi truyền tới thiết bị thu nhận. Do
đó, trong thực tế do ảnh hởng của khí quyển m nhiều đối tợng lại đợc thể hiện
có nhiệt độ lạnh hơn hoặc ấm hơn so với nhiệt độ thực của chúng v ảnh hởng đó
lm sai lệch thông tin ra. Thông thờng, mức độ ảnh hởng phụ thuộc vo dải quét,
khoảng cách giữa thiết bị tới đối tợng. Ví dụ: thông thờng nếu tín hiệu nhiệt đợc
thu ở độ cao thấp dới 300m thì nhiệt độ của vật đo đợc thờng cao hơn 2
0
so với
đo ở độ cao lớn hơn. Tất nhiên l điều kiện khí tợng có ảnh hởng lớn tới dạng v
biên độ của những ảnh hởng nhiệt do khí quyển. Mây v sơng mù l những yếu tố
lm che khuất những bức xạ nhiệt của mặt đất. Nếu trời trong, đới sol khí sẽ tạo nên
những ảnh hởng tới tín hiệu nhiệt. Bụi, các nguyên tử cacbon, khói, hơi nớc cũng
l những nhân tố ảnh hởng đến tín hiệu nhiệt độ đợc. Vì vậy, ảnh hởng của khí
quyển l rất đa dạng, tùy thuộc vo độ cao, thời gian v điều kiện thời tiết của khu
vực. Tuy nhiên, những ảnh hởng của khí quyển thờng không đợc để ý tới. Trong
kỹ thuật xử lý ảnh có nhiều phơng pháp xử lý loại bỏ các nhiễu của khí quyển.
x Tơng tác nhiệt với các yếu tố địa hình
Trong viễn thám nhiệt, thông số đợc quan tâm đến nhiều nhất l bức xạ nhiệt
từ các đối tợng trên địa hình. Tuy nhiên, bức xạ nhiệt từ một đối tợng l kết quả
tơng tác với năng lợng rơi vo nó (ở đây cha xét đến các nguồn nhiệt truyền dẫn
trực tiếp từ các đối tợng ở xung quanh đến đối tợng).
Khi một nguồn năng lợng rơi vo đối tợng, có sự tơng tác nh sau:
EI = EA + ER + ET
trong đó: EI- năng lợng rơi vo các yếu tố địa hình;
EA - phần năng lợng hấp thụ bởi các yếu tố địa hình;
ER - phần năng lợng phản xạ bởi các yếu tố địa hình;
ET - phần năng lợng truyền qua các yếu tố địa hình.
Nếu biến đổi công thức trên bằng cách chia cho EI, ta có:
E
I

luật Kirch Hoff dựa vo trạng thái cân bằng về nhiệt, khi đó:
() + () + () = 1
Trong điều kiện mờ đục thì () = 0, khi đó:
() - () =1
Trong trờng hợp ny thì tổng sự phát xạ v phản xạ nhiệt của đối tợng l
không đổi nếu sự phản xạ thấp thì sự phát xạ sẽ cao. Một vật có sự phản xạ nhiệt
thấp thì sự phát xạ nhiệt sẽ cao. Ví dụ: nớc có sự phản xạ nhiệt rất yếu trong vùng
hồng ngoại nên sự phát xạ nhiệt lại tơng đối cao (Đ1). Ngợc lại, thép lá có sự phản
xạ nhiệt rất cao thì độ phát xạ nhiệt lại rất yếu trong vùng phổ hồng ngoại (0,63-
0,7).
Sự phát xạ nhiệt của một đối tợng tuân theo quy luật Stefan- Boltzmal:
M= T
4
trong đó: M - năng lợng nhiệt phát xạ tại nhiệt độ T (w/m
2
);
- hệ số phát xạ nhiệt của vật chất;
- hằng số boltzman 5,6697 X 10
8
w .m
2
.K
-4
;
T - nhiệt độ (k).
Do đó, mặc dù bề mặt trái đất có nhiệt độ tơng đối giống nhau (khoảng 300
0
K) song sự phát xạ nhiệt lại rất khác nhau do các vật chất có hệ số phát xạ nhiệt
khác nhau.
Có thể biến đổi công thức thnh:

)
Đối tợng
Độ phát xạ
K C K C
Vật đen 1,00 300 27 300 27
Thực vật 0,98 300 27 298,5 25,5
Đất ớt 0,95 300 27 286,2 23,2
Đất khô 0,92 300 27 293,8 20,8
Một điểm cần lu ý l: Các sensor sử dụng trong dải ngoại nhiệt có khả năng
phát hiện các bức xạ nhiệt từ bề mặt của các đối tợng trên mặt đất (bắt đầu từ
khoảng 5Pm). Nhiệt độ ny có thể hoặc không thể hiện nhiệt độ bên trong của đối
tợng. Ví dụ, vo ban ngy với độ ẩm thấp thì nớc có nhiệt độ cao sẽ có tác dụng
giữ ẩm v lm lạnh bề mặt của nó, mặc dù trong khi với khối lợng lớn thì nớc có
thể giữ ấm ổn định hơn khi nó ở trên bề mặt một đối tợng. Đây l tính chất đáng
lu ý khi sử dụng v phân tích t liệu viễn thám.
5.3. Phơng pháp thu v đặc điểm ảnh hồng ngoại nhiệt
5.3.1. Cấu tạo v vận hnh của hệ thống quét hồng ngoại nhiệt
Bộ phận
Detector quét
Gơng quay
Khuyếch đại
Ghi băng
Ghi
phim
Hớng
bay
Gơng hội tụ
Bộ điều chỉnh
nguồn tia
Hình 5.3: Cơ chế thu ảnh nhiệt theo phơng pháp quét

0
K. Hệ ghi phổ hiện nay có độ phân giải nhiệt độ l 0,1
o
C . Các
thông số về khoảng nhạy phổ của hệ máy đo phổ kênh nhiệt đợc ghi nhận trong
bảng 3.2. Hình 3.21. minh họa sơ đồ qui trình vận hnh cơ bản một hệ quét nhiệt.
79
Lăng kính
Con cách
lỡng sắc
Bộ ghi phổ
Thấu kính
Năng lợng từ mặt đất
Ghi băng
b - Sơ bộ thu ghi tín hiệu
Đờng
bay
a - Đờng quét tạo ra khi bay
Hình 5.4. Nguyên tắc vận hnh một hệ quét đa phổ ngang:
a- sơ đồ thu v ghi tín hiệu. b- đờng quét tạo ra khi bay
(Theo Thomas) M. lillesand v Ralph W. Kiefer, 1999)
Bảng 3.2: Đặc tính của máy đo phổ Photons thờng dùng
Kiểu Tên
Khoảng phổ hữu ích
(P m)
Thủy ngân - Germani Ge:Hg 3-14
Indi-antimon InSb 3-5
Thủy ngân-Carmi-Telluarit
HbCdTe (MTT)
hay ba kim loại

Thấu kính quét
Bộ khuyếch đại
Ghi vo
Motor
quay
Hình 5.5. Sơ đồ bộ ghi phổ kênh nhiệt theo nguyên tắc quét ngang
Bảng 3.3: Độ phân giải mặt đất tại tâm (Nadir) v độ rộng của đờng quét cho các cao độ
khác nhau của một hệ quét đa phổ có góc 90
o
v trờng nhìn tổng l 2,5 mili radian IFOV.
Độ cao Cao độ bay (m) Độ phân giải tại
Nadir (m)
Độ rộng đờng quét (m)
Thấp 300 0.75 600
Trung bình 6000 15 12000
Cao 12000 30 24 000
81
- Biến dạng tiếp tuyến - tỷ lệ
V
ận tốc góc không đổi
Hình 5.6. Sự thay đổi của các phần tử phân dải mặt đất theo vận tốc thẳng
ảnh ghi nhận bởi hệ quét đa phổ ngang cha đợc nắn sẽ bị biến dạng hình
học, đặc biệt trên đờng vuông góc với hớng bay.
Trên hình 3.23 ta thấy rõ rằng cứ sau một khoảng tăng thời gian, gơng quay
sẽ quét đi một góc không đổi 'T vì vận tốc góc của gơng quay l không đổi. Hiện
tợng ny gọi l biến đổi hình học ảnh kiểu tỷ lệ tiếp tuyến. Tỷ lệ ảnh sẽ thay đổi
chỉ theo phơng vuông góc với hớng bay v không thay đổi theo hớng bay.
Hớng bay
Hình 5.7. Biến dạng của ảnh cha nắn: a, ảnh chụp vuông góc. b, ảnh chụp ngang.
Điều ny cho thấy, hình đúng của đối tợng trên mặt đất sẽ l mặt cong dới

hình chỉ ra theo một hớng. Biến dạng ny l do khi đo phổ từ máy bay v có tính
chất đều theo một hớng nghiêng.
-Biến dạng thông số bay
Hớn
g
ba
y
Hình 5.9. Biến dạng của một ảnh quét gây ra bới các yếu tố khác nhau. a-cảnh trên mặt
đất, b- ảnh quét, c- biến dạng do quay, d- biến dạng do đẩy, e- biến dạng do chao
Hớng
bay
83
Trên thực tế có rất nhiều yếu tố ảnh hởng đến sự biến dạng các thông số bay,
kết quả l hình ảnh bị méo v lệch theo nhiều hình thức khác nhau.
Tóm lại, ảnh nhiệt có các đặc điểm chính nh sau :
Rất hay bị méo do ảnh hởng của các yếu tố môi trờng nh : gió. ma,
mây, thực vật (hình 5.4).
Hình 5.10: ảnh nhiệt v hiện tợng méo hình học
Rất khác nhau giữa ảnh ban ngy v ban đêm phụ thuộc vo mô hình nhiệt
của các vật chất khác nhau.
Nhiệt độ cực đại, tốc độ nóng lên hoặc lạnh đi của một đối tợng phụ thuộc
vo thnh phần vật chất v trạng thái của đối tợng. Ví dụ: nớc có cực đại v cực
tiểu (giá trị tuyệt đối) nhỏ hơn v thời điểm xuất hiện cực đại cực tiểu cũng chậm
hơn 1- 2 giờ so với các đối tợng khác, do đó thông thờng nhiệt độ của địa hình
thờng cao hơn vo ban ngy, song lại thấp hơn vo ban đêm so với nhiệt độ của
nớc. Sự chênh lệch về nhiệt của vật chất giữa ngy v đêm gọi l quán tính nhiệt
của vật chất , ký hiệu l 'P( xem hình 5.2 ).Trên đồ thị của hình 5.2,vị trí giao nhau
giữa các đờng cong l vị trí m ở đó nhiệt độ của mọi vật giống nhau.
5.4. Phân tích ảnh quét nhiệt
5.4.1.Phân tích các trờng nhiệt

ảnh chụp lúc
21 h30 (tối )
Hình 5.13: ảnh nhiệt của một khu vực ghi nhận vo các thời gian khác nhau
Hình 5.14. ảnh nhiệt của một núi lửa đang hoạt động ( ảnh
trên ) v ảnh chụp một biệt thự vo ban đêm ( ảnh dới )
86
5.4.2. Xác định nhiệt độ thực của vật chất dựa theo ảnh viễn thám:
Thông qua t liệu viễn thám, có thể xác định nhiệt độ thực ở bên ngoi của vật chất
dựa theo công thức sau :
DN = A + B x x T
4
từ đó suy ra T l nhiệt độ thực của bề mặt vật chất :
4/1
á
ạ
ã
ă
â
Đ


H
B
ADN
T
trong đó: DN: Giá trị số của ảnh viễn thám
A; B: Các giá trị hiệu chỉnh bức xạ của đối tợng so với vật đen tuyệt đối
: Hệ số phát xạ nhiệt của vật
Nh vậy các giá trị nhiệt độ xác định đợc trên t liệu viễn thám thờng l nhiệt
độ chói (Brightness temperature), muốn xác định nhiệt độ thật của vật chất ta phải